CN103192393A - 一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统是一种倒立摆系统。包括飞轮倒立摆机构、电磁铁驱动摆机构和量角仪限位机构。金属圆盘飞轮在电磁铁产生的磁场中旋转切割磁力线产生电磁涡流，涡流产生的反作用磁场与电磁铁产生的电磁场相互作用产生力矩，倒立摆的摆杆在该力矩的作用下摆动。本系统通过控制飞轮旋转的角速度和电磁铁的励磁电流的方法来控制产生的力矩，这种方法增大了飞轮的力矩，延长了力矩的作用时间，减小了系统的质量和体积，提高了控制效果，拓宽了应用场合。

Description

一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统

一、技术领域：

本发明涉及一种倒立摆系统，具体的说是一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统

二、背景技术：

倒立摆系统是一个非最小相位、多变量、绝对不稳定的非线性系统，因此倒立摆控制系统是控制理论应用的一个典型范例，其控制方法在航天和机器人领域都有着广泛应用。申请号为201010151221.0，名称为：“一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统”的专利申请，公开了一种利用飞轮旋转产生力矩控制倒立摆平衡的倒立摆系统。该倒立摆系统采用在倒立摆顶端安装一个具有一定质量的旋转飞轮，通过飞轮旋转产生的反力矩使倒立摆发生偏转。

当采用上述现有飞轮倒立摆时，飞轮旋转时产生的力矩用公式表示为：T’=Jε²，其中J为飞轮的转动惯量，ε为飞轮旋转的角加速度。从公式中可以看出：1、当飞轮角加速度ε一定时，飞轮旋转时产生的力矩T’与转动惯量J成比例变化，因此想要增加力矩只能增加飞轮的转动惯量J，即增加飞轮的质量或体积，因此就会使系统变得笨重冗余。2、当飞轮的转动惯量J一定时，飞轮旋转时产生的力矩T’与飞轮旋转的角速度平方ε²成正比，因此想要增加力矩T’只能增加飞轮旋转的角加速度ε。但当驱动飞轮的电机达到其最高转速时，飞轮的角加速度ε为零，此时力矩T’=0，飞轮失去对倒立摆杆的力矩控制；同时，当驱动飞轮的电机以加速度ε的运行时，其速度由零到最高速只有很短时间（以瑞士Maxon直流电机为例，其一般在15ms），因此飞轮旋转时产生的力矩T’只能作用很短时间。

因此，这种通过控制飞轮转动惯量和飞轮角加速度来控制反作用力矩的现有倒立摆依靠角加速度产生的力矩很小，同时要想产生更大的力矩只能通过增加旋转飞轮的质量和半径，但是这样做又增加整个倒立摆系统的质量和体积，从而使系统需要更大的力矩来驱动。因此该飞轮倒立摆系统的力矩与摆动角度范围均受到限制，不利于其在相关场合内的应用。

三、发明内容：

为了克服现有飞轮倒立摆力矩小、摆动角度范围小等问题，本发明提供了一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统，由金属圆盘飞轮在电磁铁产生的磁场中旋转切割磁力线而产生涡流，金属圆盘飞轮上的涡流产生反作用磁场，该磁场与电磁铁的磁场相互作用产生力矩，金属圆盘飞轮所在的倒立摆在该力矩的作用下发生摆动，通过控制金属圆盘飞轮的旋转速度、电磁铁的励磁电流和电磁铁的位置可以对产生的力矩进行控制，从而实现对倒立摆的控制。

本发明利用电磁涡流效应产生力矩的具体原理如下：

根据安培定律和楞次定律，当金属圆盘飞轮在电磁铁的磁场中旋转时，金属圆盘飞轮内产生电涡流，涡流产生的反作用磁场与电磁铁的电磁场相互作用产生力矩。用公式表示为：T=T_iI²ω,其中T_i为电磁常数，由电磁铁芯和金属圆盘飞轮的导磁率、导电率和气隙宽度等参数决定，I为电磁线圈的励磁电流，ω为金属圆盘飞轮的旋转角速度。从公式中可以看出：1、力矩T的大小与电磁铁励磁电流平方I²的成比例变化。2、当电磁铁励磁电流I一定时，电磁铁产生的磁场强度一定，力矩T的大小与圆盘的角速度ω成比例变化。

此方法具有控制力矩大、力矩作用时间长、控制方便和结构轻巧等优点。

本发明的技术方案是：

一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统，其特征在于：包括飞轮倒立摆机构、电磁铁驱动摆机构和量角仪限位机构。

飞轮倒立摆机构包括：倒立摆支座2、底端套筒3、倒立摆杆4、顶端套筒5、电机座6、伺服电机8和金属圆盘飞轮9。倒立摆杆4底端与底端套筒3固定连接，底端套筒3与倒立摆支座2连接，底端套筒3可在倒立摆支座2内摆动，倒立摆支座2底端与基座1固定，倒立摆杆4上端固定有顶端套筒5，顶端套筒5与电机座6固定连接，电机座6上安装有伺服电机8，伺服电机8的轴上安装有金属圆盘飞轮9，金属圆盘飞轮9所在平面与倒立摆杆4摆动的平面平行。

电磁铁驱动摆机构包括：舵机座15、舵机14、舵盘13、驱动摆杆12、电磁铁固定座11和电磁铁10。舵机座15与基座1固定，舵机座15上固定有舵机14，舵机14上安装有舵盘13，舵盘13与驱动摆杆12的下端固定连接，驱动摆杆12摆动的平面与倒立摆杆4摆动的平面平行，驱动摆杆12的上端安装有电磁铁固定座11，电磁铁固定座11上安装有U型电磁铁10，电磁铁10由电磁铁芯10.1、第一线圈10.2和第二线圈10.3组成，第一线圈10.2和第二线圈10.3分别位于电磁铁10的两个磁极上，电磁铁10的两个磁极分别位于金属圆盘飞轮9所在平面的两侧，并且金属圆盘飞轮9的轮体在电磁铁10的两个磁极之间，同时金属圆盘飞轮9正反两面到两个磁极的距离相同。

量角仪限位机构包括：刻度盘16、刻度指针18、摆杆限位销19、指针限位销20、摆杆独立限位销22和第一螺母21和第二螺母23。刻度盘16与基座1固定，刻度盘16上有半圆形滑动槽17，刻度指针18底端与刻度盘16转动连接，刻度指针18靠近倒立摆杆4的一面固定有摆杆限位销19，摆杆限位销19具有一定长度，使其可以挡住倒立摆杆4，刻度指针18的另一面固定有指针限位销20，指针限位销20穿过刻度盘18的半圆形滑动槽17并可在半圆形滑动槽17内滑动，指针限位销20穿过半圆形滑动槽17一侧的末端安装有第一螺母21。摆杆独立限位销22中部有一圆形挡圈22.1，圆形挡圈22.1使摆杆独立限位销22的一部分穿过刻度盘16的半圆形滑动槽17，另一部分被挡在倒立摆杆4一侧。摆杆独立限位销22位于倒立摆杆4一侧的部分具有一定长度，使其可以挡住倒立摆杆4。摆杆独立限位销22可在半圆形滑动槽17内滑动，摆杆独立限位销22的穿过半圆形滑动槽17一侧的末端安装有第二螺母23。摆杆限位销19和摆杆独立限位销22分别位于倒立摆杆4的两侧。

作为本发明的优选方案，产生磁场的磁铁采用电磁铁，其有益效果是通过控制流过电磁铁的励磁电流可以控制磁场的大小和方向，扩大了磁场的控制范围。

作为本发明的优选方案，量角仪机构安装有限位销，其有益效果是限位销可以在滑动槽内滑动，从而设置倒立摆不同的起摆角度，并可以直接读出倒立摆杆起摆时的角度，同时限位销可以防止倒立摆系统在掉电时与地面碰撞，提高了系统的可便携性与安全性。

本发明的有益效果是：

1、当电磁铁的励磁电流I一定时，根据公式T=T_iI²ω可知，产生的力矩T大小与金属圆盘飞轮旋转时的角速度ω成比例变化，而非现有飞轮倒立摆产生的力矩T’=Jε²与飞轮的旋转的角加速度平方ε²成比例。因此，基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆的有益效果表现在以下3个方面：

（1）通过调节飞轮角速度ω来控制力矩T的大小，避免了现有飞轮倒立摆因电机速度饱和而无法产生加速度ε，进而无法产生力矩T’的情况

（2）拓宽了力矩T的控制范围，以瑞士Maxon直流电机为例，其转速通常在0-10000rpm，因此可以在0-10000rpm范围内任意设定角速度ω所对应的力矩T。

（3）力矩T可以长时间持续存在，只要在电机的使用寿命内，其都可以在某一转速可以连续工作，因此飞轮产生的力矩可以作用很长时间。现有飞轮倒立摆运行时飞轮的角加速度ε存在的时间很短，以瑞士Maxon直流电机为例，通常电机转速由零到额定转速的时间在15ms左右，因此现有飞轮倒立摆产生的力矩T’只能维持很短的时间。

2、当飞轮旋转的角速度ω一定时，根据公式T=T_iI²ω可知，产生的力矩T的大小与电磁铁的励磁电流的平方I²成比例变化，而非现有飞轮倒立摆的力矩T’=Jε²与飞轮的转动惯量J成比例。因此，基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆的有益效果表现在以下3个方面：

（1）通过增加电磁铁的励磁电流I可以增加力矩T的大小，而不用通过增加飞轮的转动惯量J，减小了飞轮的质量和体积。

（2）通过调节电磁铁的励磁电流I的大小来控制力矩T的大小，拓宽了力矩的控制范围。而现有飞轮只能通过改变飞轮的转动惯量J来改变力矩T’大小，一旦飞轮的质量和体积固定，就无法再变换飞轮的转动惯量J，只能更换其他飞轮。

（3）通过改变励磁电流I的方向可以改变电磁铁的磁场方向，可以在不方便调节飞轮角速度ω的情况下，改变力矩T的方向，拓宽了倒立摆的应用场合。

综合1、2，本发明的整体有益效果是：

基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统，通过控制飞轮旋转的角速度ω和电磁铁的励磁电流I的方法来控制产生的力矩T，这种方法增大了飞轮的力矩T，延长了力矩T的作用时间，减小了系统的质量和体积，提高了控制效果，拓宽了应用场合。

四、附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明：

图1是本发明一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统的结构示意图

图2是本发明一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统的前视示意图

图3是本发明一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统的右视示意图

图4是本发明一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统的后视示意图

图5是本发明一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统的初始位置示意图

图6是本发明一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统的电器系统示意图

图7是本发明一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统的控制系统示意图

图中：1-基座、2-倒立摆支座、3-底端套筒、4-倒立摆杆、5-顶端套筒、6-电机座、7-姿态测量模块、8-伺服电机、9-金属圆盘飞轮、10-电磁铁、10.1-电磁铁芯、10.2-第一线圈、10.3-第二线圈、11-电磁铁固定座、12-驱动摆杆、13-舵盘、14-舵机、15-舵机座、16-刻度盘、17-半圆形滑动槽17、18-刻度指针、19-摆杆限位销、20-指针限位销、21-第一螺母、22-摆杆独立限位销、22.1-圆形挡圈、23-第二螺母、24-控制器模块、25-电源模块

如图1至图4所示：

图中倒立摆系统的倒立摆杆4和驱动摆杆12都处于竖直状态，该状态即为倒立摆系统在控制作用下所要达到的竖直平衡状态。

倒立摆支座2与基座1固定连接，倒立摆支座2与底端套筒3铰接，底端套筒3与倒立摆杆4下端固定连接，倒立摆杆4的上端与顶端套筒5固定连接，顶端套筒5与电机座6固定连接，电机座6上安装有姿态测量模块7和伺服电机8，伺服电机8的轴上安装有金属圆盘飞轮9。

舵机座15与基座1固定连接，舵机座15上安装有舵机14，舵机14的轴上安装有舵盘13，舵盘13与驱动摆杆12的下端固定连接，驱动摆杆12安装时与倒立摆杆4平行，驱动摆杆12的上端安装有电磁铁固定座11，电磁铁固定座11上固定有一U型电磁铁10，电磁铁10由电磁铁芯10.1、第一线圈10.2和第二线圈10.3组成，第一线圈10.2和第二线圈10.3分别位于电磁铁10的两个磁极上，金属圆盘飞轮9位于电磁铁10的两个磁极中间，并且与电磁铁10两极间的距离相同。

刻度盘16与基座1固定，刻度盘16上有半圆形滑动槽17，刻度指针18底端与刻度盘16转动连接，刻度指针18上端的靠近倒立摆杆12的一面固定有摆杆限位销19，摆杆限位销19具有一定长度，使其可以挡住倒立摆杆4，刻度指针18的另一面安装有指针限位销20，指针限位销20穿过刻度盘16的半圆形滑动槽17。在指针限位销20穿过半圆形滑动槽17的末端一侧安装有第一螺母21，当拧紧第一螺母21时，指针限位销20被固定在半圆形滑动槽17内，从而指针18和摆杆限位销19都被固定住，当拧松第一螺母21时，指针限位销20可在半圆形滑动槽17内滑动，从而指针18和摆杆限位销19在指针限位销20的带动下可以转动。摆杆独立限位销22穿过半圆形滑动槽17并且可在半圆形滑动槽17内滑动，摆杆独立限位销22中部有一圆形挡圈22.1，可以使摆杆独立限位销22的一部分穿过半圆形滑动槽17，另一部分被挡在倒立摆杆4一侧，摆杆独立限位销22穿过刻度盘16一侧的末端安装有第二螺母23，当拧紧第二螺母23时，摆杆独立限位销22被固定在半圆形滑动槽17内，当拧松第二螺母23时，摆杆独立限位销22可以在半圆形滑动槽17内滑动。摆杆限位销19和摆杆独立限位销22分别位于倒立摆杆4的两侧，对倒立摆杆4起限位支撑作用。控制器模块24与电源模块25分别固定于基座1上。

在上述描述中，驱动摆杆12、倒立摆杆4和刻度指针18均可在平面内转动，并且它们摆动的轴在同一条直线上。姿态测量模块7由姿态测量传感器及其附属电路组成，姿态测量传感器可以是陀螺仪、加速计等，控制器模块24由主控制芯片及其附属电路组成，主控制芯片可以是单片机、DSP或ARM，电源模块25主要由电池及附属电路组成。

五、具体实施方式

下面结合实施例具体介绍本发明的工作流程：

如图5所示：通过拧紧第一螺母21，可以使指针限位销20固定在刻度盘16上，从而使刻度指针18固定在刻度盘16的相应刻度上，摆杆限位销19固定在刻度指针18对应的位置上。同理当拧紧第二螺母23时，摆杆独立限位销22被固定在刻度盘16上。摆杆限位销19和摆杆独立限位销22分别位于倒立摆杆4的两侧，对倒立摆杆4起限位支撑作用。当未对倒立摆系统施加控制信号时，倒立摆杆4会向左或向右倾斜歪倒，图6中以倒立摆杆4向右歪倒为例，摆杆限位销19对其进行支撑。此时，可以通过刻度指针18所对应的刻度来计算倒立摆杆4的角度。若需要调整倒立摆杆4的角度，则只需拧松第一螺母21和第二螺母23，然后调节摆杆限位销19和摆杆独立限位销22在半圆形滑动槽17的位置即可。同时摆杆限位销19和摆杆独立限位销22的位置也限定了倒立摆杆4摆动角度的最大范围。

如图6所示：电源模块25用于给姿态测量模块7、控制器模块24、电磁铁10、伺服电机8和舵机14供电，姿态测量模块7向控制器模块24提供反馈信号，控制器模块24通过控制信号控制电磁铁10、伺服电机8和舵机14。

如图7所示：通过对控制器模块24设定倒立摆杆4期望位置信号（如倒立摆杆4竖直），控制器模块24结合姿态传感器模块7提供的倒立摆杆4实际位置信号，分别针对电磁铁10、伺服电机8和舵机14输出电流控制信号、速度控制信号和角度控制信号。电流控制信号控制流入电磁铁10第一线圈10.2和第二线圈10.3的励磁电流的大小和方向，电磁铁10在接到电流控制信号后，电磁铁10所产生磁场的大小和方向会发生变化。速度控制信号控制伺服电机8转速的大小和方向，从而控制金属圆盘飞轮9在电磁铁10所产生的磁场中旋转切割磁感线速度的大小和方向。角度控制信号控制舵机14舵盘13的旋转角度，从而控制驱动摆杆12与倒立摆杆4保持平行，保证金属圆盘飞轮9始终处于电磁铁10的两个磁极之间。当金属圆盘飞轮9在电磁铁10的磁场中旋转切割磁感线时，金属圆盘飞轮9内产生电涡流，涡流产生的磁场与电磁铁的电磁场相互作用，产生力矩作用在金属圆盘飞轮9上。该力矩的大小随电磁铁10的励磁电流大小变化，若励磁电流一定时，电磁铁10的磁场强度不变，力矩的大小与金属圆盘飞轮9的转速成比例变化。在接到控制信号后，电磁铁10的磁场发生变化、金属圆盘飞轮9旋转速度发生变化、电磁铁10与金属圆盘飞轮9的相对位置发生变化，以上变化最终会导致倒立摆的姿态发生变化，此时姿态测量模块7对倒立摆杆4的姿态信息采集并将倒立摆杆4实际位置信号传送给控制器模块24。控制器模块24接收到姿态测量模块7反馈的倒立摆杆4的姿态信号后，通过与设定的期望位置信号比较后，重新对电磁铁10、伺服电机8和舵机14输出电流控制信号、速度控制信号和角度控制信号。

Claims (1)

1.一种基于电磁涡流效应的飞轮倒立摆系统，其特征在于：包括飞轮倒立摆机构、电磁铁驱动摆机构和量角仪限位机构；

所述的飞轮倒立摆机构，包括：倒立摆支座(2)、底端套筒(3)、倒立摆杆(4)、顶端套筒(5)、电机座(6)、伺服电机(8)和金属圆盘飞轮(9)；倒立摆杆(4)底端与底端套筒(3)固定连接，底端套筒(3)与倒立摆支座(2)连接，底端套筒(3)可在倒立摆支座(2)内摆动，倒立摆支座(2)底端与基座(1)固定，倒立摆杆(4)上端固定有顶端套筒(5)，顶端套筒(5)与电机座(6)固定连接，电机座(6)上安装有伺服电机(8)，伺服电机(8)的轴上安装有金属圆盘飞轮(9)，金属圆盘飞轮(9)所在平面与倒立摆杆(4)摆动的平面平行；

所述的电磁铁驱动摆机构，包括：舵机座(15)、舵机(14)、舵盘(13)、驱动摆杆(12)、电磁铁固定座(11)和电磁铁(10)；舵机座(15)与基座(1)固定，舵机座(15)上固定有舵机(14)，舵机(14)上安装有舵盘(13)，舵盘(13)与驱动摆杆(12)的下端固定连接，驱动摆杆(12)摆动的平面与倒立摆杆(4)摆动的平面平行，驱动摆杆(12)的上端安装有电磁铁固定座(11)，电磁铁固定座(11)上安装有U型电磁铁(10)，电磁铁(10)由电磁铁芯(10.1)、第一线圈(10.2)和第二线圈(10.3)组成，第一线圈(10.2)和第二线圈(10.3)分别位于电磁铁(10)的两个磁极上，电磁铁(10)的两个磁极分别位于金属圆盘飞轮(9)所在平面的两侧，并且金属圆盘飞轮(9)的轮体在电磁铁(10)的两个磁极之间，同时金属圆盘飞轮(9)正反两面到两个磁极的距离相同；

量角仪限位机构，包括：刻度盘(16)、刻度指针(18)、摆杆限位销(19)、指针限位销(20)、摆杆独立限位销(22)和第一螺母(21)和第二螺母(23)；刻度盘(16)与基座(1)固定，刻度盘(16)上有半圆形滑动槽(17)，刻度指针(18)底端与刻度盘(16)转动连接，刻度指针(18)靠近倒立摆杆(4)的一面固定有摆杆限位销(19)，摆杆限位销(19)具有一定长度，使其可以挡住倒立摆杆(4)，刻度指针(18)的另一面固定有指针限位销(20)，指针限位销(20)穿过刻度盘(16)的半圆形滑动槽(17)并可在半圆形滑动槽(17)内滑动，指针限位销(20)穿过半圆形滑动槽(17)一侧的末端安装有第一螺母(21)；摆杆独立限位销(22)中部有一圆形挡圈(22.1)，圆形挡圈(22.1)使摆杆独立限位销(22)的一部分穿过刻度盘(16)的半圆形滑动槽(17)，另一部分被挡在倒立摆杆(4)一侧；摆杆独立限位销(22)位于倒立摆杆(4)一侧的部分具有一定长度，使其可以挡住倒立摆杆(4)；摆杆独立限位销(22)可在半圆形滑动槽(17)内滑动，摆杆独立限位销(22)的穿过半圆形滑动槽(17)一侧的末端安装有第二螺母(23)；摆杆限位销(19)和摆杆独立限位销(22)分别位于倒立摆杆(4)的两侧。

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